賴思年、吳志明 / 清華大學材料系；呂奇明 / 工研院材化所
魷魚內骨骼，其應用價值在於富含β相幾丁質奈米纖維(ChNFs)，本研究透過化學濕式製程建立ChNFs萃取技術，並與聚偏二氟乙烯(PVDF)進行壓電複合薄膜(CPVDF)製作，經由兩者間靜電相互作用下，能夠將α相PVDF(α-PVDF)轉換成β相PVDF(β-PVDF)以提升壓電特性，並於抗菌實驗中表現出不錯的性能。根據掃描式電子顯微鏡(SEM)、X光繞射儀(XRD)與壓電力顯微鏡(PFM)分析，可以觀察ChNFs、PVDF及CPVDF表面形貌、β-PVDF與β幾丁質複合後壓電相增加趨勢以及壓電響應增強之結果。應用層面首先透過電極設計將薄膜製成壓電式奈米發電機(PENG)確認壓電輸出(電流~200 nA/電壓~25 V)；最終利用超音波機械力誘導壓電薄膜產生晶體內部極化電場，進一步產生具有強氧化性之超氧自由基(·O2-)與氫氧自由基(·OH)，於大腸桿菌(E. coli)抗菌實驗中成功達近95%的抗菌效果。
【內文精選】
前 言
本研究根據壓電材料概念， 設計出CPVDF壓電複合薄膜(Piezoelectric Composite Film)，透過調整PVDF與β幾丁質之比例，改善薄膜機械與壓電性質，摻入由魷魚內骨骼萃取出的幾丁質之後，能夠透過兩者之間的表面靜電交互作用，將α-PVDF轉換成具有壓電特性之β-PVDF，並利用兩者相同壓電極化方向（d33—於垂直方向施力即產生垂直方向電場）的特性增強壓電表現。透過SEM、XRD與PFM分析，證實ChNFs、PVDF及CPVDF表面形貌、β-PVDF與β幾丁質複合後壓電相增加趨勢與壓電響應增強之結果。
實驗步驟
1. CPVDF壓電複合薄膜製備
CPVDF壓電複合薄膜是通過相當簡易的化學濕式製程來製備，如圖一所示為CPVDF壓電複合薄膜製程。首先將魷魚內骨骼直接浸泡至濃度0.3 M之氫氧化鈉(NaOH)中，80˚ C/24小時以去除殘留於骨骼表面的蛋白質(Protein)，隨後使用濃度0.5 M之鹽酸(HCl)將骨骼浸泡，於室溫下持續16小時以去除殘留的礦物質(Mineral)；第二步驟即將乾燥後的魷魚內骨骼所得到幾丁質粉末，分別秤重取7 mg、15 mg、30 mg、40 mg與50 mg之幾丁質粉末，加入10 wt%之PVDF溶液中（分別為C7、C15、C30、C40與C50），溶劑為二甲基乙醯胺(Dimethyl Acetamide; DMAC)，最後將混合溶液旋塗於玻璃基板並經過乾燥過程得到CPVDF壓電複合薄膜。
圖一、CPVDF壓電複合薄膜製程示意圖
結果與討論
1. ChNFs、PVDF與CPVDF材料特徵分析
圖三(a)~(b)顯示了ChNFs奈米纖維的網絡狀結構，證實直接從魷魚骨骼萃取後的纖維微觀結構，其直徑維度為50~200 nm；圖三(c)~(d)為PVDF薄膜表面形貌，可見其表面形態更為平坦；當兩者複合形成CPVDF後，如圖三(e)~(f)所示，所得形態呈波浪狀，由此證明ChNFs與PVDF鏈中的CH2極性發生密切的靜電相互作用，導致其相成核以提升機械性質。於XRD分析中（圖三(g)），同時鑑定了ChNFs、PVDF與CPVDF的結晶特性，ChNFs特徵峰主要落在7.9˚ 與20˚ ，分別為β幾丁質(010)與α/β-幾丁質多晶相(110)/(11¯0)；而在PVDF繞射分析中能清楚觀察到18.7˚ (020)與20.6˚ ((110),(200))兩峰值，分別為α-PVDF與β-PVDF相；兩者複合後，CPVDF之具有壓電特性的β-PVDF相呈現更強的結晶性，明顯致α-PVDF比例降低，此意謂複合薄膜確實能夠透過靜電交互作用增強β-PVDF結晶度，除了提升機械強度之外，更增強其壓電特性。
圖三、(a)~(b) ChNFs之SEM影像；(c)~(d) PVDF之SEM影像；(e)~(f) CPVDF之SEM影像；(g)ChNFs、PVDF與CPVDF之XRD繞射分析圖
3. 幾丁質壓電複合薄膜抗菌表現
在確認最佳複合配方後，最後進行E.coli抗菌測試(Antibacterial Test)，因超音波機械力能夠誘導壓電薄膜材料晶體內部極化電場，在垂直方向電荷分離的情況下，電子累積處與水氣反應產生具有強氧化性之超氧自由基(·O2-)，電洞累積處相對形成氫氧自由基(·OH)，而人體在對抗外來細菌與病毒亦利用吞噬細胞產生這些自由基來對抗---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》428期，更多資料請見下方附檔。